李婕莉，張國有（太原科技大學計算機科學與技術學院，太原030024）

公路隧道遠程監(jiān)控的研究與設計

李婕莉，張國有
（太原科技大學計算機科學與技術學院，太原030024）

作為高速公路的咽喉地段，隧道內日常交通的穩(wěn)定運行是保證高速公路正常運轉的重中之重，所以研究一套完善的隧道監(jiān)控系統(tǒng)尤為重要。系統(tǒng)按照監(jiān)控分中心、隧道管理站和隧道現(xiàn)場三級控制模式設計，其中隧道管理站是整個監(jiān)控平臺的核心。為保證數(shù)據傳輸速度系統(tǒng)采用實時數(shù)據庫處理數(shù)據，為保證系統(tǒng)安全對用戶設置不同角色和操作權限，實現(xiàn)實時、高效、準確的監(jiān)控隧道的目的。

監(jiān)控系統(tǒng)；數(shù)據庫；用戶管理

0　引言

近年來，隨著我國經濟發(fā)展速度的加快和現(xiàn)代化進程的推進，公路隧道的項目建設也迅速發(fā)展起來，道路交通建設取得明顯成果。我國是個多山地、丘陵的國家，特殊的地質條件使我國必然建設很多隧道。由于隧道中環(huán)境密閉，容易發(fā)生交通事故，所以加強隧道中的安全運營管理顯得極為重要。為了使隧道中交通環(huán)境更加方便、安全和高效，為了及時應對隧道內的突發(fā)事故，有效地保障隧道內行車安全越來越多地受到政府交通部門的重視。然而，現(xiàn)今大多數(shù)公路隧道車輛監(jiān)控都是通過人工觀看視頻，而完全依靠監(jiān)控人員觀看視頻監(jiān)控不僅會增加政府財政支出，而且由于監(jiān)控人員有限的精力和注意力，很容易出現(xiàn)疏漏。為了能夠對隧道內發(fā)生的異常情況及時做出反應并進行分析處理，設計一個完善的公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)尤為重要，本文就我們完工的某公路隧道監(jiān)控平臺的設計和實現(xiàn)方案進行詳細說明。

1　系統(tǒng)總體架構

1.1系統(tǒng)組成

隧道監(jiān)控平臺的管理模式是對平臺的軟件和設備配置進行集中管控。隧道采用片區(qū)監(jiān)控中心、隧道管理站和隧道現(xiàn)場三級控制模式。一般情況下，隧道的日常運營管理和處理事件由隧道管理站負責，隧道管理站可以向區(qū)域控制器下達控制指令驅動終端控制設備（如設備狀態(tài)控制、設備閾值設置、設備操作方式和系統(tǒng)控制預案等等）。監(jiān)控總中心擁有最高的控制權限，它可以協(xié)調控制各片區(qū)監(jiān)控中心。片區(qū)監(jiān)控中心可通過隧道管理站實現(xiàn)對隧道的管理，它擁有比隧道管理站更高的權限。各管理站一般都無人職守,若有緊急情況管理人員可以到管理站人工控制隧道設備。如圖1所示為隧道監(jiān)控系統(tǒng)控制模式圖：

圖1　隧道監(jiān)控控制模式圖

1.2PLC組網與通信

系統(tǒng)組網方式采用工業(yè)以太網組成控制層環(huán)網，再將交換機與PLC鏈接，設備之間的通信使用遠程的I/O通信。以某隧道為例，隧道左右洞通過以太網交換機光纖組成以太自愈環(huán)網，圖2所示為其結構圖：

圖2　隧道PLC環(huán)網圖

2　隧道監(jiān)控平臺軟件設計

2.1數(shù)據庫模塊

數(shù)據庫是隧道監(jiān)控平臺的核心，是監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)場設備聯(lián)系的紐帶。監(jiān)控系統(tǒng)運行時，隧道設備采集到的數(shù)據要上傳到隧道管理站，同時中心計算機發(fā)布的控制指令也要實時傳到隧道現(xiàn)場，這些都要以數(shù)據庫為中心。

數(shù)據庫模塊可以存儲隧道監(jiān)控平臺和相關設備數(shù)據，對于系統(tǒng)中大量數(shù)據應運用分月建表的方式，需要獲取歷史數(shù)據時可以直接從統(tǒng)計表中獲取而不需要再次統(tǒng)計，為統(tǒng)計處理數(shù)據節(jié)省大量時間。

在系統(tǒng)中添加、修改、刪除和查詢設備都需要操作數(shù)據庫，在對數(shù)據進行定義、初始化、建立數(shù)據詞典并成功連接數(shù)據庫后，即可通過代碼實現(xiàn)對數(shù)據庫的相應操作。系統(tǒng)數(shù)據操作流程圖如下圖3所示，客戶端發(fā)出請求到服務器，通過登錄驗證，從服務器取出數(shù)據和文件。

圖3　系統(tǒng)數(shù)據操作流程圖

2.2系統(tǒng)監(jiān)控

系統(tǒng)監(jiān)控包括交通、照明、通風、消防、報警及事故處理和隧道緊急電話及廣播六大子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)通過PLC與設備之間進行通信，系統(tǒng)通過文字、表格和數(shù)據曲線等形式展現(xiàn)所出采集的設備自檢數(shù)據、實時運行數(shù)據和系統(tǒng)報警信息等。

（1）交通監(jiān)控子系統(tǒng)

交通監(jiān)控子系統(tǒng)實時收集車輛檢測線圈、CO/VI檢測器和火災報警器等設備采集的數(shù)據，經過判斷和處理后，通過隧道車道通行燈、交通信號燈和可變情報板標語控制隧道交通流，提高隧道運營效率。系統(tǒng)將采集到的信息與預先在本地控制器上設置閾值進行比較，若有異常情況如CO濃度超過閾值或者發(fā)生火災、交通事故，系統(tǒng)可以自動控制程序也可以提示建議處理方案后經過人工確認再執(zhí)行。

（2）照明監(jiān)控子系統(tǒng)

照明監(jiān)控子系統(tǒng)分四級控制，包括白天、黃昏、夜間和深夜。照明控制系統(tǒng)將照度檢測器采集的實時照度與預先設置的閾值比較后自動開啟對應級別的照明,控制洞內外照度使之不會相差太大,避免駕駛員出入隧道時視覺上帶來不適，保證行車安全。照度檢測器主要檢測洞內照度,并對應照明等級判斷照明燈具是否完好,若照度沒有達到照明等級要求的照度時,系統(tǒng)會自動彈出窗口提醒監(jiān)控人員照明設備損壞,管理人員經過核實后可通知工作人員檢查設備。同時,管理人員可以依據具體情況人工啟動或關閉照明設備。

（3）通風監(jiān)控子系統(tǒng)

通風監(jiān)控系統(tǒng)根據采集的信息如一氧化碳濃度、可見度、交通擁堵情況等自動開啟、關閉相應的風機。如果收集的數(shù)據超出閾值達到報警級別,系統(tǒng)根據報警級別開啟對應的風機，并根據CO濃度、能見度檢測值和風速風向決定開啟風機的大小和數(shù)量。各級閾值和風機開啟的數(shù)量、時間間隔可根據具體情況在監(jiān)控系統(tǒng)進行設定。發(fā)生火災時，通風系統(tǒng)自動啟動火災區(qū)內的風機，同時考慮到煙霧會進入相鄰隧道，所以應啟動相鄰隧道洞口處風機加快排煙。除此之外,隧道監(jiān)控人員可根據具體情況在監(jiān)控平臺、隧道管理站、可編程控制柜選擇需要控制的風機,并控制其開啟、關閉、正轉、反轉、停止等。

（4）消防監(jiān)控子系統(tǒng)

消防監(jiān)控系統(tǒng)根據液位儀檢測消防系統(tǒng)高低位水池水位、中間水位信號的信息，如果液位儀檢測到水位過高或過低，立刻向隧道管理站發(fā)出報警。系統(tǒng)經過分析判斷后，可以通過自動啟停消防泵實現(xiàn)對消防泵啟停的全自動控制；監(jiān)控人員也可以根據水池水位數(shù)據進行判斷后，在監(jiān)控管理站遠程遙控消防泵的啟停。

（5）報警及事故處理子系統(tǒng)

報警包括設備報警、事故報警、閾值報警、火災報警和其他報警等，當發(fā)生異常情況時監(jiān)控系統(tǒng)自動確認發(fā)生故障的設備或事故地點，同時伴隨報警聲。監(jiān)控系統(tǒng)停留在報警頁面直到操作員進行事故確認方可停止。操作員對報警確認后可通過手工處理，也可執(zhí)行系統(tǒng)預案或者自定義預案進行處理。

當隧道內發(fā)生火災時，火災自動報警系統(tǒng)會將報警信號上傳至隧道監(jiān)控站火災報警計算機。中心計算機通過分析后形成控制方案，系統(tǒng)聯(lián)動CCTV將監(jiān)視畫面切換到最靠近事故點的攝像機畫面，管理人員通過顯示屏實現(xiàn)實時監(jiān)控報警的隧道。系統(tǒng)聯(lián)動隧道管理站內交通監(jiān)控系統(tǒng)、通風控制系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)，并通過可變情報板及隧道廣播發(fā)布警告信息及交通誘導信息；通過車道通行燈和交通信號燈等設備控制隧道內交通流；通過通風系統(tǒng)的控制方案控制隧道內的風機設備風向、開啟數(shù)量，減少隧道內CO濃度等；通過聯(lián)動照明控制系統(tǒng)強制開啟事故隧道內所有照明回路，對隧道火災進行及時有效的控制，確保道路使用者的安全，并將損失降低到最小。

（6）隧道緊急電話及廣播子系統(tǒng)

隧道洞內外均設置緊急電話及廣播系統(tǒng)，隧道管理站內有隧道緊急電話及有線廣播控制計算機、主機及其他外設等，用于收集管轄路段內隧道事故報警信息及向發(fā)生事故的隧道廣播，給駕駛員提供警告、緊急調度信息，平時也可以利用此系統(tǒng)向司機傳遞交通實時信息等。

2.3系統(tǒng)管理

為了方便系統(tǒng)管理，保證系統(tǒng)安全，按照用戶角色管理、設備管理、閾值管理、預案管理、手工事件管理、報表管理、日志管理和數(shù)據備份等模塊進行管理。

（1）用戶角色管理

系統(tǒng)賦予不同的用戶不同的管理權限。此系統(tǒng)將用戶角色分為系統(tǒng)管理員、報表管理員、系統(tǒng)操作員、普通操作員和監(jiān)視員五種角色。其中系統(tǒng)管理員和報表管理員為系統(tǒng)管理用戶，具有用戶賬號和角色的分配與審批權限；系統(tǒng)操作員、普通操作員和監(jiān)視員為監(jiān)控用戶，系統(tǒng)操作員具有各個子系統(tǒng)的操作權限，普通操作員只有一個子系統(tǒng)的操作權限，監(jiān)視員只能查看系統(tǒng)設備的實時運行信息。

（2）設備管理

設備管理功能：實現(xiàn)設備的基本信息、通信端口和參數(shù)等信息的增加、刪除、修改等操作；管理隧道內各子系統(tǒng)的主線設備、檢測設備、控制設備及設備通訊參數(shù)（包括PLC設備參數(shù)、情報板參數(shù)等）；對PLC和其他設備分組，必要時按照分組控制設備；可設置報警級別及報警聲音。

（3）閾值管理

閾值管理包括對隧道交通狀況（如車流量、車速等）、環(huán)境狀況（如CO濃度、可見度、光照度等）門限值的管理。對設備的控制門限值、報警門限值進行設值，用于預案控制和系統(tǒng)報警等功能的實現(xiàn)。系統(tǒng)可以單獨選擇某個設備，也可以選擇某一種類型的設備進行閾值設置。

（4）預案管理

預案管理用于實現(xiàn)預案信息管理，如增加、刪除、修改等操作，包括單系統(tǒng)預案、聯(lián)動預案和自定義預案。單系統(tǒng)預案包括：交通、照明、通風和消防等控制預案。聯(lián)動預案將各個單系統(tǒng)預案進行組合，進行聯(lián)動控制。自定義預案可根據隧道的上下行選擇不同的設備進行預案制定，可設置預案中各設備的延時啟動時間。

（5）手工事件管理

手工事件管理用于實現(xiàn)對手工事件的增加、修改、刪除、查詢、統(tǒng)計等。事件信息來源包括：隧道緊急電話、隧道養(yǎng)護人員、巡邏車、攝像機、交警等。手工事件錄入完成后將自動記錄到數(shù)據庫中，以便日后查詢、分析。

（6）報表管理

報表管理可實現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據庫中所有原始數(shù)據按條件進行查詢、打印、導出結果，分為管理報表、數(shù)據報表和預案報表三大類。

（7）日志管理

日志管理包括用戶操作日志和系統(tǒng)運行日志，用于實現(xiàn)對日志的查詢、統(tǒng)計和打印等。用戶操作日志包括用戶的登錄信息、退出信息和下發(fā)控制指令等；系統(tǒng)運行日志包括設備故障、設備運行狀態(tài)及其改變時間、系統(tǒng)報警事件及處理方式和結果等。

（8）數(shù)據備份

數(shù)據備份包括：實時數(shù)據轉存、歷史數(shù)據轉存、數(shù)據庫自動備份和數(shù)據庫實時手動備份等。實時數(shù)據轉存：每日固定時間點轉存前一天的實時數(shù)據；歷史數(shù)據轉存：每日固定時間點轉存前一年的實時數(shù)據；數(shù)據自動備份：每月固定時間點自動備份數(shù)據庫，備份的.bak文件存儲在服務器指定的硬盤目錄下；數(shù)據庫實時手動備份：系統(tǒng)管理員可以通過后臺對數(shù)據庫進行實時手動備份。

3　結語

本文首先引入系統(tǒng)研究的目的和意義；其次對系統(tǒng)結構組成和組網進行說明；最后對系統(tǒng)的軟件設計說明，包括數(shù)據庫模塊、系統(tǒng)監(jiān)控和系統(tǒng)管理。此系統(tǒng)實現(xiàn)了實時、高效、準確的監(jiān)控隧道的目的，為隧道管理者提供了一套完善、可靠、穩(wěn)定的設計方案，便于隧道的運營管理。

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Monitoring System;Database;User Management

Research and Design of Highway TunnelMonitoring System

LIJie-li，ZHANG Guo-you
（Departmentof Computer Science and Technology，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024）

As the throatarea of highway,the stable operation of the tunnel daily traffic is very important to ensure the normal operation of the highway.Therefore,a comprehensive research on the tunnel monitoring system is particularly important.Designs the system in accordance with three levels of controlmodes:monitoring and control center,the tunnel station and tunnel devices,and among of them the tunnel station is the core of the wholemonitoring station platform.The system uses real-time database to ensure the speed of data processing and transmitting,and it sets up different roles and operating authorities for the users to ensure system security.It implements the purpose of real-time,efficient and accuratemonitoring of the tunnel.

1007-1423（2015）15-0066-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.15.017

李婕莉（1989-），女，山西臨汾人，碩士研究生，研究方向為公路隧道遠程監(jiān)控相關技術

張國有（1972-），男，山西忻州人，博士，副教授，研究方向為軟件建模

2015-03-26

2015-05-05